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科學認識系統的通常模式,是“科學主體—科學工具—自然客體”動態系統.作為中介環節的科學工具,是科學發展的杠桿,因此是找尋科學進步的內在成因和科學認識發展規律之關鍵所在。科學工具包括物質和觀念兩種形態,即實體工具和理智工具。
自然科學的明顯特點是實證性,使用實體工具獲取第一性資料以建立和驗證科學理論,是科學實踐的直接目的,從而創造和發展科學實體工具是科學認識發展的基本前提和首要條件,正如諺語所云:“工欲善其事,必先利其器”,“君子生非異也,善假于物也”。
科學實體工具的主要構成是科學儀器群,按其功能特性大致可分三類:對自然客體實施發動性控制以求在人工條件下迸發自然信息的儀器;接收自然信息的儀器;自然信息轉換、傳遞、儲存和處理的儀器。各對應于人體效應臟器、感覺臟器、神經系統及中樞控制臟器(腦部)的部份功能模擬、強化、延伸或補充。科學儀器作為科學研究的“人工臟器”,是自然物的“人化”,又是人類理性的“物化”,具有趕超天然臟器生理閥值的效應,是人類伸向大自然未知王國的“認識觸角”。
另一方面,科學儀器是一定時代科學技術知識系統和該時代經濟力結合的產物,是社會生產力發展與科學認識進程互動的具體表現,又是評判科學實踐發展和技術發展水平的尺度。因此自然科學的發展史,既是科學概念的演變史,又是科學儀器的興衰史。
科學實體工具(儀器為主)和科學邏輯程序之間,存在著內在深刻的聯系,在科學認識過程的不同發展階段上具有不同的作用和地位。科學儀器演進史本身還可以看作是一種科學邏輯程序的物化和“放大”。諸如,天文觀測儀器就經歷了三個大的發展階段,對應于科學邏輯程序的三個環節;單純觀察和檢測性儀器——分析性儀器——綜合性儀器。
中級階段中包含了低級階段的成分,低級階段中蘊涵著中級階段的“胚芽”。第一類儀器用以發覺天體的存在,記錄它們的表現現象,檢測的通常是“幾何參里”,如托勒密三角儀、第谷墻儀、伽利略望遠鏡等等;第二類儀器記錄且剖析天體的“物理熱阻”,較后者具有“由表及里”的性質,如夫朗和費(J.)的分光鏡等等;第三類儀器如現代的帶有實時顯示和反應能力的望遠鏡系統,具有“去粗取精”的迅速選擇效應和“人—望遠鏡對話“性質。
近代以來,天文觀測儀器有三次大的改革,對應于科學邏輯程序的三個階段性轉換,都是學科之間技術和工具移植的結果,并無一例外都成了學科內部份化、綜合并造成巨大發展的支點。第一次是因為透鏡光學技術引進,開創了望遠鏡光學觀察的新紀元;第二次是因為分光術、測光術、照相術與望遠鏡結合,宣告了天體化學學誕生;第三次則因為光電、射電、空間、計算機等技術的引進,揭露了全波段天文學的帷幕。由此可見,科學革命的主要特點,是以工具(實體工具與理智工具)根本性變化為基本標志。
“沒有科學史的科學哲學是空洞的,沒有科學哲學的科學史是盲目的。”歷史是一面穿衣鏡。闡述科學實體工具與科學邏輯程序的關系,以16—17世紀爆發的第一次科學革命為旁證,更具鮮明的典型性。以哥白尼《天體運行論》(1543年)為帷幕,牛頓《自然哲學的物理原理》(1687年)為高潮的第一次科學革命,繼往開來,給人類社會和文化發展的影響無可估量。
同時,“哥白尼—牛頓”發展鏈顯示了同科學認識的邏輯程序通常模式的驚人一致。哥白尼范式(綱領性假說)——第谷的直接觀察和檢測(古典儀器)——開普勒經驗性定理——伽利略等人間接觀察和檢測(光學儀器)——牛頓公理化詮釋體系,這根歷史鏈條可簡略看作科學發覺的通常邏輯,即認識“螺旋”上的“圓圈”的辨證運動:“——假說(綱領性)——經驗反省——唯象性理論——經驗再反省——系統化理論——”。
因而清晰地彰顯了科學史和科學邏輯的辨證統一。本文通過科學儀器的歷史考察,同時嘗試闡明科學實體工具在科學認識的邏輯程序各階段的不同作用與地位,闡明二者之間復雜關系的個別規律。
哥白尼綱領性假說階段:科學儀器與新范式確立
自然科學的發展方式是假說。科學發展過程,就是假說不斷形成、發展、競爭和更迭過程。假說形成的成因,可以是直接的經驗性事實發覺,也可以是對舊范式舊理論的概念反省。哥白尼(1473—1543)假說的提出,即屬后一種。隨著科學深入發展,哥白尼式理論發覺模式越為普遍,這是創造性思維能動作用強化的反映。
但無論怎樣,尊重經驗事實,盡可能借助實體工具搜集新材料,仍是基本要求。哥白尼學說是關于天文學基本理論和整個宇宙圖景的更換,是科學范式或科學綱領的根本性改革,就此而言,實體工具改革與否在這一階段并無決定性意義,恰恰相反,范式工具的改革成為實體工具改革的先導。
日心地動假說在當時得不到裁定性的事實發覺的支持,能發覺星體視差的觀測技術還得等上三百年,連F.培都根抨擊哥白尼毋須要地違背了我們感官的提示。有的科學史家覺得,就觀測的精度和性質而言,哥白尼專著折衷地說是基于中世紀的,許多方面來自托勒密;還覺得他不是一位天文觀測家,其專著是一部自然哲學和完全是技術性的物理專著。
事實上,哥白尼學說所追求的簡單性原則是同尊重事實相一致的,他依然必須通過天體表觀運動去推斷其現實運動。首先,他充分借助了托勒密以來的大量觀測資料;其次,他用中世紀極為狹小的天文儀器在修道院城墻上渡過了他自謂的“四個‘九年’”的觀測春秋。儀器大部份是自制的,其中有一架歷時8公尺的巨型“托勒密尺”。
其實在《天體運行論》里僅27次提及自己的新資料,但在定量上較托勒密尚有發展,比如,他測定了更為精確的行星軌道周期,并據此確定離太陽的排列順序,首次推得行星軌道相對直徑,除木星偏差稍黑大,其余同現代測值相當接近。因而為定量確立太陽系概念邁出決定性一步;據悉,為了尊重新的觀測資料,他不得不把太陽放在新宇宙體系的中心附近,而以幾何點來代替其高貴的“王位交椅”。其實,他反反復復用間接的事實證據與新假說加以對比,因而開普勒說他這樣做時“就象一個盲人利用手杖來保證行進一樣。”
科學假說是科學性與假定性的統一,因此同迷信、幻想和神話有本質區別,其科學性是以已知的事實發覺和己被確證的科學原理、邏輯規則為基礎的。雖然如哥自尼式的綱領性假說,亦正如有經驗反省直接造成的經驗型、事實型假說一樣,難以去除科學實體工具這根“拐杖”來在黑暗中探路。在新范式確立過程中,只要有可能,研究者是絕不會忽略科學儀器的作用的,即使儀器是何等落后而陳舊,由于破的槳比沒有槳好,漏的樓頂總比沒有屋頂好。
第谷傳統觀測階段與開普勒經驗定理階段:科學儀器與經驗反省;“反常”發現
當不同的假說處于僵持、競爭的僵持局面下,合乎邏輯地會有一個經驗反省階段到來。第谷·布拉赫(1546—1601)就處于這樣階段。實體工具在這一階段主要作用,是系統地積累更大量更精確更可靠的經驗資料和數據,做出重大的事實發覺,為進一步的理論驗證(確證或指責)、理論發覺和理論發展創造條件。
因此,實體工具的變革是經驗反省階段的中心問題。在科學史上,第谷階段以描述天體視位置和視運動的定位性觀測為特點;在科學邏輯中,“第谷階段”以經驗積累和檢驗為特點。其中有特殊意義的是“反常”發現。“反常”有可能導致常規科學的危機而造成科學革命。但使用科學儀器的經驗活動本身存在固有的內部矛盾,觀測和實驗對理論的作用表現為裁定性效應和常年性效應的矛盾,因此經驗事實可使觀念飛越也可使理性欺騙,關鍵在于是否有正確的理論指導和是否擁有敏銳的科學鑒賞力。
第谷是望遠鏡發明前觀測天文學的登峰造極者。他全面改進和創制古典儀器,在技術和技巧上頗具獨創性,并不因循迂腐。第谷的觀測度幾乎達到肉眼許可的極限,從伊巴谷(公元前二世紀)以來的幾乎每一重要的天文數據,他都審慎地重新測定和普遍修正,使荒蕪了千余年的法國古典方位天文學出現一派蓬勃生機。
第谷受德國王贊助在汶島創建了“觀天堡”和“星堡”兩座天文臺,是近代法國第一個科學中心,其規模之宏大、儀器之精湛、設備之齊全、裝璜之奢華,舉世罕見。第谷觀測的最大特征是常年性、系統性、重復性、嚴密性和協作性;其設計的儀器的特征是:巨型化、多樣化、精密化、新穎化。
發明先進的“虛線分弧法”()使儀器刻度細分至秒,測定天體地平經度時精度達1/6分,而托勒密的精度未曾超過±6分。在此基礎上,第谷編制了第一份完整的近代星表,內含1000顆星(包括大量暗弱星),其平均偏差同現代測值相比約為1',可謂是肉眼觀測極限。因為注重實體工具和經驗觀測的結果,必然會導致觀念上的重大發展。
在同傳統觀念挑戰方面,第谷有三大貢獻:測定1572年在仙后排里出現的新見星是一顆新星體(即第谷超新星),第一次沖破了“恒星天球層”不變論的偏見;測定1577年大慧星能穿越所謂的“行星品瑩天球層”,首次證明慧星是繞日運行的天體,并有力駁斥了行星天球的固態性;繼哥白尼以后更精確地測定出游星(除月球外)確實繞日運行,而非托勒密所說繞地運行。
可見,實體工具的實踐過程,不單單是資料上量的積累,在一定時期會導致個別觀念質的飛越。但經驗本身是一把雙面刃,可使觀念飛越,也會在缺少正確的理智工具指引時使理性迷途。因為悲憫于新約而又囿于經驗,第谷總算“霧失樓臺,月迷津渡”,提出一個折中的宇宙體系,亦未能總結出游星運動規律。開普勒說第谷是個富豪,但不知怎么正確使用他的財富。
開普勒(1571—1630)經驗定理階段是第谷觀測階段合乎邏輯的發展。在積累了大量感性經驗資料以后,驟然而至的必然是概括成唯象性理論或驗定理階段,而“反常”性發覺常常成為新理論產生的直接觸發點。第谷留給開普勒歷時30年的第一手觀測資料和重視經驗的忠告,使開普勒的“宇宙諧和”思想獲得堅實基礎,因而才有行星運動三定理的發覺。尤其是知名的橢圓軌道定理發覺,號稱科學史上壯舉,充分說明隨著實體工具改進、觀測精度增強,量的“反常”對造成理論突破有何等意味深長含意。
不放過經驗數據與理論推測之間趕超許可的偏差,常常會有驚人的理論發覺。庫恩精辟強調,技術發展使“質的反常”過渡到“量的反常”,而在“不可防止的科學危機的產生中,量的反常的效能小于質的反常的效能。”當火星的傳統圓軌道理論測算值與第谷觀測值發生微小的量的差別時,因為開普勒這么相信第谷的觀測精度,因而為了忠于事實而不惜叛逆原有的傳統理論,最后拋棄了連哥白尼都深信不移的神圣的“天體圓軌道。”
開普勒在《新天文學》(Nova……)里激動地說道:“神明的上帝賜予我們以這么精于觀測的第谷,按照他的觀測資料在估算中出現了8'的偏差……。我們應懷著無限感激之情去接受上帝恩賜的這一贈品,……如果我把8'的黃經之差看成微不足道的話,我本不會有效地更改這一假說,……單單這8'之差就開辟了通向整個天文學改革的公路。”[8]歷史詭辯地說明:“在沖突的場合,檢測將是常勝將軍。”
由此可以非常清晰地看出:實體工具的不斷改善在一定時侯將為理論發覺提供最有利的物質條件。但另一方面,要從科學研究的正常過程中看出“反常”跡象的鴻爪蛛絲,捕捉它并“破譯”其中的“密碼”,這只有科學能力(包括社會和個體)發展到一定階段才有可能,它要求實體工具的精密度和反應性大大增強;理智工具處理經驗材料的能力大大加大;據悉,還須要研究者慧眼頗具,明察“秋毫”,正如英國雕像家羅丹所說,所謂大師,就是要能在人們司空見慣、習以為常的事物中發覺出“美”來。
伽利略間接觀察階段:科學儀器的劃時代變遷
B.巴伯強調:“當工具獨立發展到一定程度時,有時可以在整個學科或分支學科的發展中起主導作用,比如望遠鏡或計算機的情況就是這么。”H.C.King甚至說:“儀器改進比通過儀器所獲得的發覺應遭到更大注意。……鍍銀工藝的引進甚至比例如海王星的發覺遠為重要。”望遠鏡在17世紀天文觀測上的應用是科學史上的偉大風波,天文學實體工具發展中的劃時代轉折。
它以無可辯駁的事實說明:一種重要新工具的發明和引進,常常會改變科學發展常規進程,使之獲得前所未有的偉力,甚至會開創一個新時代;而科學發展的急切要求是引進新工具新技術的原動力。
伽利略(1564—1642)不是望遠鏡的最早發明者,也不是第一個將望遠鏡對準天空的人,但惟有他,在傳言促動下,如他本人所說,“不是靠碰運氣,而是靠純理智的途徑”,即通過對折射理論的深入研究而制成天文望遠鏡,并理解天文新發覺的全部理論意義。
他的《星際使者》(1610年)無愧是科學史上的一塊壯麗的壯歌,向世人披露了望遠鏡觀察的首批成果——五大發覺:月面陡峭不平;星體無限多,并發覺昂星團;銀河由無數星體集團聚集而成;發覺四個木衛;在望遠鏡視界中行星有圓面,面星體無圓面但色溫減小。
1610年末,又發覺金星有位相盈虧;1611年夏,觀察太陽黑子。即使伽利略1608年研發的第一架天文望遠鏡僅放大9倍,而用以發覺木衛的第四架,其性能還不如現代觀劇用的44mm雙目望遠鏡,但正是這種狹小而新穎的工具,第一次突破人類視覺的天然極限,開拓了探求宇宙的寬廣領域。
科學史家評論說:哥倫布發覺了新臺灣,伽利略發覺了新宇宙。以伽利略為標志,天文學觀測史掀開了輝煌的新一頁:以肉眼為惟一的偵測器,輔以量角器為主的幾何檢測儀獨步天文觀測的時代終結了,自此確立了光學儀器的主導地位。與之相應,促使加速了幾何化天文學向物理化天文學轉變的歷史進程。R.Hall強調:“物理的天文學是望遠鏡的產物。
“望遠鏡發覺似乎沒有直接導向天體力學理論發覺,但仍以其形態性觀察而導出實體的太陽系觀念,因而為天體熱學誕生提供寬廣背景。使用實體工具,有著直接現實性和普遍性品格。正如伽利略所說的,這一“人工擴大的視力”,“使哲學家困惑了這么長久的全部爭辯,在我們嘴巴的不可辯駁的證據面前迎刃而解。”
沉重嚴打了亞里士多德宇宙學和托勒密地心說體系,大大推動了哥白尼學說的迅速傳播。但新發覺也并非煮熟了的果子,只要輕搖枝條即可唾手而得。面對傳統勢力的喧鬧和低劣玻片捏造了的星象,新發覺同時也是以哥白尼范式進行思索和推理的結果。并非有耳朵就可接受客觀事實。
當伽利略將新發覺公之于世后,掀起了一場軒然大波,經院學者覺得黑子在眼里而不在太陽上,教會引用《馬太福音》中的一句話宣布望遠鏡是“魔鬼的玩藝兒”,不一而足。并且,被低劣透鏡的象差和色差嚴重丑化了的成像,假如沒有正確的理智剖析和判定,感官也可能被騙。正是在這種意義上,G.說得對:“思想給了我們眼晴。”
牛頓公理化體系階段:科學儀器的精密化與詮釋性定理
經驗性定理的開普勒階段,在一定條件下向詮釋性定理的牛頓(1642—1727)階段上升。固然,詮釋性定理并非實體工具活動所直接造成,但其驗證和發展卻必須仰賴于前者,其影響的程度,決定于實體工具的精密化程度。在望遠鏡發明以后的半個世紀里,其累累碩果基本屬于定性的新穎性而非定量的精確性,因此對定量理論影響不大。
17世紀望遠鏡定量化歷程,以W.(1612—1644)為先驅,1659年C.(1629—1695)首次公布物鏡測微器發明為轉折,J.(1620—1682)和A.(1622—1691)全面定量化為成熟,而以J.(1646—1719)為最高成就。望遠鏡觀測首次直接造成重大理論發覺,是其問世120年后(1693—1762)光行差理論的構建。但現有證據表明,望遠鏡定量化對“牛頓革命”進程有直接影響。
J.用定量化望遠鏡測定空前精確的月球子午線1°值,對牛頓初期的關于力的平方正比律設想起到檢驗作用,因而推動了牛頓對笛卡兒范式的叛逆,向天體力學理論大踏步前進。1667年,J.首次在望遠鏡上應用叉絲;并在A.和Romer協助下實現望遠鏡、測微器和古典儀器的“三結合”;還首次在天文學檢測中使用擺鐘,其精確度在當時首屆一指,2個月僅差1分鐘,大大提升了測定恒量方位的精度。那些都為進一步提升望遠鏡定量化精度創造了條件。
關于萬有引力理論的確立時期,牛頓在1715—1718年間寫的備忘錄(見于收藏)宣稱:于1665年其假說已朋友實驗證“幾乎完美相符”。奇怪的是為什么擱置21年后才發表?仍然是個謎。流行見解仍然是相信牛頓備忘錄的權威性。但據現今所查,牛頓于1686年6月致信中卻言:曾經估算仍然“未能足夠精確。”[17]也許前后矛盾。對牛頓備忘錄擬應保留想法,因當初他被角逐發明優先權的糾紛所摧殘,很可能如阿貝爾評高斯所說那樣,象只兔子,經常用尾巴掃掉身旁的足跡。
事實上,邏輯地看,1665—1666年間牛頓在笛卡兒范式下根本不可能產生萬有引力概念,但當時確已推得行星對太陽“離心勢”(a)同距離平方成正比,并提出知名的“月-地檢驗。”據牛頓的同事W.于1694年、H.于1728年追憶,都提到牛頓親口談過“首次檢驗”一事。那時他取月球表面的大圓1°值為60法定英里(Eng.St.mi;合69.5英里),按照這一簡略檢測值估算,結果,“在一定程度上令他沮喪,由于同假定月球重力單獨作用于地球的理論值不完全一致,這使牛頓誤以為使地球禁錮在軌道上的力量,‘部分是重力的力量,部份是笛卡兒漩渦的力量。’他把估算的論文束之高閣,著手其他研究。”兩人的追憶基本一致。
這種史籍的可靠性更大。由于據現代發覺的牛頓一份無標題原稿(寫于1667或1668年)[16]可知,牛頓當時取的月球直徑為3499.9日本里(1意里=5000公尺),得到月球赤道表面重力比地球離地心而減緩的“離心勢”大4375倍,而按平方正比律假說得到的理論值應只大3600倍,三者竟差21.5%。這樣大的偏差對崇尚“實驗哲學”的牛頓來說其實是難以接受的。因此印證了牛頓給信所言屬實。
據史籍,1671年,J.首次發表了在倫敦附近用定量化望遠鏡所測得的月球子午線觀測值,1°=69.096法定英里,該值精度在數碼之內。其成果于1675年、1676年連續二次載子西班牙皇家學會季刊《哲學學報》上,立即引發注目。稍后,牛頓正是按照這一空前精確的測值重新作了測算,證明了平方正比律的可靠性,才一舉解決了擱置多年的“月—地檢驗”,使理論發展出現重大突破,加速了牛頓從笛卡兒漩渦假說的舊范式走向萬有引力發覺的腳步。有鑒于此,牛頓后來直接將該值以倫敦尺(Parisfeet)為單位引用到《自然哲學的物理原理》第三篇第4命題中去,他寫道:“結論:保持地球于其軌道上的力是與我們一般稱之為重力的力完全是同一種力。”
這個事例從正反兩方面最生動地說明:儀器的精密化程度對理論檢驗和發展具有何等重大意義。科學理論的生存和發展,常常會因一個關鍵性經驗數值而改觀,或被否證或被確證。或被純化或被更改,甚至還有可能被錯誤的或精度不夠的數值所欺騙而遭一時的“冤案”。固然,理論并非如K.所夸大的那樣脆弱,只要一個經驗證據即可“證偽”而被推翻。事實上,理論甚或如I.所說的,是富于彈性的。只要“硬核”還在,它仍可以不斷進行修復,或暫時擱置上去,以圖東山再起。由此可見,實體工具對理論的檢驗和發展的影響舉足輕重,尤其是儀器精密化程度的改善,是提升實踐檢驗力的關鍵所在。
通過對“哥白尼-牛頓”發展鏈和環的歷史考察,可以同時理解實體工具在歷史和邏輯的不同階段上的作用和地位,以及實體工具與理智工具之間互動的張力。當對舊理論進行反省而須要提出更合理更自洽的競爭理論;或當經驗事實大量積累非常是發覺“反常”現象需加以整理、分析和解釋時;或須要闡明經驗定理中更深層涵義時,理智工具的發展便成了主要問題,并獲得最大的推進力,如哥白尼階段、開普勒階段、牛頓階段便是。
當社會生活實際須要;或新的假說須要經驗確證而向觀測和實驗提出各類定性、定量的技術要求時,實體工具的發展便是當務之急,并同樣獲得最大的推進力,如第谷階段、伽利略階段便是。因此,科學沿著時軸方向以“——假說——觀測與實驗——假說——再觀測與實驗——”認識螺旋上升過程,同時也是實體工具和理智工具發展的重心不轉換過程,以及三者之間所展開的復雜交互作用過程,因而充分顯示了科學工具的社會-歷史性和邏輯程序性。
《荀子:《荀子·勸學篇》》
《天文學史》
《科學社會學》
《物理科學的概念和理論概論》